近距离下射流冲击平板PIV实验研究

运用时间分辨粒子成像测速系统(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)对近距离下射流冲击平板时的流场进行了直接测量, 通过对两个正交的平面流场开展测量, 揭示了冲击距离和雷诺数对射流间隙内三维流动特征及涡系结构演化规律的影响. 结果表明: 射流间隙存在三种典型的涡系结构, 分别为双涡环模式、单涡环模式和卷吸模式, 但在大流量湍流状态下, 射流可能会冲破涡环, 形成随机的高速出流, 各流动模式的出现主要与射流流态及壁面约束作用有关. 运用涡量分析对三种典型涡系结构的能量传递和损失特性进行了比较. 结果表明: 近距离冲击时, 射流的能量通过涡环模式向外传递. 在双涡环模式下, 两个涡环的旋向相反, 端面的约束作用使得两个涡环都被严格约束在射流棒端面之内, 且一次涡环强度显著大于二次涡环强度. 最后, 运用本征正交分解方法对射流间隙内的流动模态及其能量分布进行了分析. 单涡和双涡模式前十阶模态分析结果表明: 能量脉动在较低阶时即以配对的模式出现, 这表明一次涡环与二次涡环均具有良好的对称性, 同时在双涡模式中, 一次涡环是占主导作用的大尺度流动结构. 卷吸模式的前三阶模态分析表明: 射流的能量集中在射流上游, 能量随紊动扩散急剧衰减.      

小口径轴对称收缩喷嘴射流冲击大平板噪声指向特性研究

实验研究了3毫米口径轴对称收缩喷嘴在各种压比下射流垂直冲击和倾斜冲击坚固大平板产生的噪声的指向特性。发现噪声在过平板法线和喷嘴轴线的平面内呈近似四瓣分布，当喷嘴与平板距离减小时，指向壁射流下游的瓣得到增强，反之，指向喷嘴上游的瓣得到增强。喷嘴压比增加时，指向壁射流下游的瓣得到增强，反之，指向喷嘴上游的瓣得到增强。根据自由射流噪声的基本指向特性、射流冲击噪声基本指向特性、声波在平板处发生镜面反射和声波能量叠加的设定，建立了一个冲击射流总体噪声指向特性的模型，成功解释了实验结果，并揭示了形成冲击射流总体噪声指向特性的内在机理。     

小口径轴对称收缩喷嘴射流冲击大平板噪声特性的实验研究

为研究小口径喷嘴冲击射流的噪声特性，测定了3mm口径的轴对称收缩喷嘴在各种压比情况下产生的亚音速和超音速射流冲击坚固大平板产生的噪声。发现噪声在空间呈近似四瓣分布，当喷嘴与平板距离减小时，噪声指向壁射流下游的瓣到增强，反之，噪声指向喷嘴上游的瓣得到增强。噪声随喷嘴距平板距离的增加呈增强的趋势，在距平板一定距离内有锯齿现象。噪声随喷嘴压比的增加而增强，相应于各种工况，存在一不同的压比值，此压比之前，噪声随压比的增大而迅速提高，但有起伏现象，在此压比之后，噪声平缓地随压比的增大而增强。     

RNG湍流模型在冲击射流数值计算中的应用

将3种版本的RNG,k-ε湍流模型应用于轴对称冲击射流场的数值模拟. 通过与实验结果的比较,考察了模型系数的改变和非线性附加项对数值结果的影响,评价了三种模型对冲击射流的数值预测能力.     

冲击射流的研究概述

冲击射流是一种既有工程应用背景,又有理论研究价值的独特的流动现象．经过长期的研究和探索,人们对这种具有很强换热效果的流动的认识不断加深,研究方法也日趋精细,从简单的实验装置发展到先进的测量系统,从单纯的实验研究发展到实验与理论计算相结合,并且不断地将其应用于新的工业流动问题,所考虑的影响因素也日益增多．但是对这种流动现象还需作更进一步的研究,特别是在冲击射流的冲击区壁面附近,实验结果和理论计算还有一定的差距．本文对冲击射流的研究现状进行了综述．     

受冲击弹性圆板动应力集中的数值计算

1 引言在纵向冲击载荷作用下,圆柱体及圆板内产生的应力波经传播及在其自由表面上的反射,将使其某些局部产生动应力集中,进而导致脆性破坏.Kolsky 曾通过冲击实验对此问题进行了较为系统的研究.笔者曾通过数值计算分析了Kolsky 的试验中圆柱内产生的各应力成分的变化情况及动应力集中现象.求得的动应力集中的发生位置同Kolsky的试验结果基本一致.本文采用同样的数值计算方法,以立体图形表示了受冲击弹性圆板中发生动应力集中的部位,并研究了不同的冲击载荷及其作用范围,圆板的尺寸及材料特性等因素对动应力集中的发生及其发生部位的影响.     

冲击高度对自由冲击射流影响的实验研究

采用热线风速仪测量了雷诺数为 ２３ ０００时四种冲击高度下率流自由冲击射流流场，并给出详细的结果．表明壁面的“阻尼”影响主要集中在近壁面０．５Ｄ以内．小冲击高度时径向速度下降得比大冲击高度时明显要快，量值也较小；在ｒ／Ｄ≤１．５处，小冲击高度时紊动能的数值大小和分布趋势与大冲击高度时不同，特别是在喷管出口距冲击板高度Ｚ与喷管直径Ｄ之比Ｚ／Ｄ为８时分布特殊，在其它测点处，紊动能的分布趋势基本一致，只是大冲击高度下的值较大；流动结构在Ｚ／Ｄ为６～８时发生了较大的变化，这种变化与势流核心区有关，在势流核心区的顶端以及下游的一段距离内紊流度都很高．     

圆湍射流拟序结构研究进展

圆湍射流拟序结构的实验研究,经历了流场显示定性观测、热线、激光单点测量、数字图像等方法全流场定量测量以及当前三维演变机制的探讨。与此同时,静态激励和主动技术的拟序结构控制研究也获得了大量的成果。应用涡方法、直接数值模拟和大涡模拟等对圆湍射流拟序结构进行的数值模拟,在印证试验现象的同时,还进一步深入研究了拟序结构的输运特性、激发机制等相关内容。本文对上述进展进行了综述,以期为进一步开展湍射流的研究和应用提供依据。      

一个新的射流颗粒速度差公式

从射流拉伸过程的能量关系出发 ,导出了相邻颗粒间速度差的理论公式。这个公式表明 ,速度差与射流初态及物质特性有关 ,因而也与断裂颗粒的几何形状有关。对一般颗粒形状 ,理论给出的无量纲速度与实验结果有较好的一致性。     

圆对称平板与圆柱壳的蠕变

从目前关于蠕变已有的知識来看,蠕变的强化理論是描述应力与变形关系的較好的一种理論。但由于非綫性的数学方程所带来的困难,根据此种理論已解决的实际問題还很少,謝吉宁解决了梁的純弯問題,拉巴特諾夫討論了圓柱体軸对称問題。 当蠕变继续了一段时間,以致塑性变形远超过弹性变形时,可将弹性变形略去,則問題得到簡化。在本文中假設可略去弹性变形,討論了圓板及圓柱壳的蠕变問題,得出应力与变形的变化与分布情况。文卡特拉曼与荷奇曾根据蠕变的陈化理論并略去弹性变形討論了在均匀荷载作用下簡支圆板与固定圆板的蠕变,其中簡支圓板的应力分布情况与本文結果相符,但关于固定圆板的結果則是錯誤的。     

半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟

将Yakhot和Orszag提出的RNGk-ε模型推广应用于半封闭狭缝冲击射流场的数值模拟，以评价该模型对这种复杂湍流的预测能力。将计算得到的流场平均速度分布、湍流强度分布和流函数分布与标准k—ε模型的预测结果以及相应的实验数据进行了比较，结果表明：RNGk—ε模型的预测结果总体上要好于标准k—ε模型，但与实验值相比，所有预测结果都还存在不同程度的误差，尤其是近壁区和滞止点较远下游处的湍流强度分布。说明RNG模型虽然已在某些湍流的预测中取得了一定的成功，但要定量准确地预测冲击射流场，还必须针对其流动特征对模型加以改进。     

火箭燃气射流冲击埸的实验研究

本文介绍火箭燃气射流冲击场的实验研究方法和结果,采用大口径长程莫阿偏折仪获得了自由射流和射流冲击场的莫阿偏折图,定量得到马赫盘位置、边界、斜激波等近场结构值,并与风洞冷射流模拟和数值模拟结果进行比较。     

燃气射流冲击传热特性的数值模拟

针对射流传热问题,利用基于RNGk-ε湍流模型的数值方法模拟了射流垂直冲击平板的流动过程,并与实验数据比较,验证了模型的可行性。在此基础上,以火箭喷管入口参数为入口条件,建立了超音速燃气射流垂直冲击平板和冲击浸没平板的计算模型,分析了不同冲击条件下努塞尔数分布规律和温度分布规律, 论述了超音速射流传热的特性及影响传热特性的因素。得到了冲击距离为(14~18)D的努塞尔数取值范围,并表明冲击距离和射流温度是影响传热效率的关键因素;冲击距离增加,传热效率降低,冲击平板表面的射流温度越高,传热效率越高。     

火箭燃气射流冲击埸的实验研究

本文介绍火箭燃气射流冲击场的实验研究方法和结果,采用大口径长程莫阿偏折仪获得了自由射流和射流冲击场的莫阿偏折图,定量得到马赫盘位置、边界、斜激波等近场结构值,并与风洞冷射流模拟和数值模拟结果进行比较。     

冲击高度对半封闭紊流冲击射流流场影响的实验研究

采用热线风速仪给出了在半封闭、雷诺数为23000时四种不同的冲击高度下紊流冲击射流流场的详细的测量结果,并与文献结果作了比较。表明壁面的“阻尼”影响主要集中在近壁面0.5D以内,在径向上流动既有顺压梯度,又有逆压梯度。小板间距时径向速度曲线下降得比大板间距时明显要快,且曲线的峰值也稍大;在r/D≤1.0的区间内,板间距为2和4时紊动能的数值大小和分布趋势与板间距为6和8时的不同,在其它位置紊动能的分布趋势基本一致,只是大板间距下的值较大;流动结构在z4和z6之间发生了较大的变化,这种变化与势流核心区有关,在势流核心区的顶端以及下游的一段距离内紊流度都很高。     

圆平板挤压膜实验及其参数识别

完成了简谐激励下水中平行圆板的挤压膜振动实验．用最小二乘法识别出非线性粘性挤压膜力模型中的４个系数．不同挤压膜厚、不同频率和不同振幅情况的数值模拟结果与实验值吻合较好．研究结果表明，所用模型可较好地描述粘性挤压膜运动，识别出的系数在一定范围内给出良好精度的数值模拟．     

横流冲击射流尾迹涡结构的实验研究

本文采用LIF（激光诱导荧光）流动显示和PIV（粒子图像速度场仪）测量对横流冲击射流的尾迹涡结构进行了实验研究。水槽实验是在三种流速比和两种冲击高度实验工况下进行的。由实验结果可得到两种明显的尾迹涡结构、，即射流尾迹涡和横流尾迹涡。横流冲击射流中形成的主要尾迹涡结构主要依赖于流速比。本文还对横流冲击射流近区范围内射流尾迹涡和横流尾迹涡的形成机理和演化特征进行了分析。     

湍流冲击射流流动与传热的数值研究进展

湍流冲击射流由于其冲击表面时具有很高的局部传热率和冲击力,被广泛应用于如表面的加热、电子元件的冷却、纸张的干燥和材料的切割等工程应用和工业过程中.由于其流动的复杂性,也常被作为一种理想的测试实例来评价湍流模型的性能.此外,湍升力射流与地面之间的空气动力作用对V/STOL (垂直或短距离起落)飞机的性能具有很大的影响.长期以来,人们从理论分析、实验测量和数值模拟方面对冲击射流进行了广泛而系统的研究,积累了丰富的资料.本文在分析了湍流冲击射流的数值研究现状的基础上,对近年来有关湍流冲击射流流动与传热的数值研究方面的文献有选择地进行了综述,重点评述了不同湍流模型对冲击射流流动与传热的预测能力,讨论了存在的问题并对该领域今后的研究方向进行了展望.      

水下爆炸冲击凹陷液面诱导射流研究

利用液滴坠落冲击直管中水平液面产生半球形凹陷,并以此凹陷液面作为初始界面进行水下爆炸冲击诱导射流的实验研究。以高速摄影为主要手段,结合Fluent数值模拟,揭示了凹陷液面在水下爆炸冲击作用下的变形过程和机理。实验结果表明,随着爆炸的发生,液面凹陷中心会汇聚形成纤细光滑的射流,同时在管壁附近会产生附加环状射流,这明显区别于冲击直管中水平液面诱导射流的现象。进一步研究发现,中心射流的产生主要源于液面凹陷对爆炸能量的汇聚作用,而附加射流的产生受到液面初始形状和管壁剪切阻力的共同影响,二者经历短暂的加速过程之后均以一个近似恒定的速度向上抬升。通过考察能量对射流的影响发现,中心射流与附加射流的速度均与充电电压(爆炸能量的1/2次方)呈线性正相关;中心射流形态特征基本不变,附加射流则随能量的变化呈现不同的形态。     

聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆

为研究聚能金属射流对固体火箭发动机的冲击响应,开展了聚能装药空射实验及某尺寸发动机在无防护情况下的射流冲击实验,使用高速摄影仪记录了爆炸响应过程,并测量了不同距离及方向的空气超压和破片速度。利用AUTODYN有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟,通过调整流固耦合的网格大小,避免了耦合泄漏。实验结果表明,火箭发动机受到射流冲击后,会发生剧烈爆炸,推进剂完全反应,破片速度达4 700 m/s以上,距离发动机爆炸中心1 m处的空气超压达到19.78 MPa,爆炸中心温度达到3 000 ℃以上,该推进剂爆炸能量略高于常规炸药。模拟结果显示,射流以头部速度7 000 m/s的速度冲击发动机壳体后,射流头部的尖端被严重烧蚀,且速度降至约5 600 m/s;推进剂在受到射流侵彻1～2 mm后,发生剧烈反应;爆炸冲击波以球形沿圆柱孔装药传播,并通过圆柱形中心孔冲击另一侧推进剂,发生装药的二次冲击起爆,同时伴有回爆现象,在推进剂中心的高斯点出现了3次超压波峰;距离发动机中心1 m处3个高斯点的平均空气压力峰值为18.75 MPa,与实验结果吻合较好。